AMESim傳熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙

1、AMESim傳熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙引言：伴隨車輛功能的增加，子系統(tǒng)越來越多也更加復(fù)雜，而多系統(tǒng)的并存必然存在著相互協(xié)調(diào)的問題。需要協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)相適應(yīng)于車輛大系統(tǒng)以及外部環(huán)境變化，根據(jù)實(shí)時(shí)工況協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)最佳匹配，AMESim針對車輛的復(fù)雜系統(tǒng)提供了一系列完整、有效的解決方案。AMESim系統(tǒng)仿真平臺(tái)憑借技術(shù)上的獨(dú)特優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)得到整車以及車輛零配件供應(yīng)商的青睞。作為通用的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，AMESim包含液壓、機(jī)械、信號(hào)控制、兩相流等一系列專業(yè)應(yīng)用庫，而眾多專業(yè)應(yīng)用庫是基于大量來自不同物理領(lǐng)域的、經(jīng)過驗(yàn)證的元件模型集合。在AMESim平臺(tái)上，工程師通過交互的圖形界面將機(jī)械、液壓或

2、電控等多領(lǐng)域系統(tǒng)簡化成由標(biāo)準(zhǔn)的單元體組成的簡化力學(xué)和控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)工作過程和結(jié)果。對于復(fù)雜系統(tǒng)來說，AMESim幫助工程技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的平臺(tái)上建模，仿真及分析系統(tǒng)的多學(xué)科耦合特性。在空間相對狹小的車用發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，錯(cuò)綜布置著發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、空調(diào)冷凝器、機(jī)油冷卻器、中冷器及EGR冷卻器等。車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)在整車熱環(huán)境內(nèi)相互影響、相互干涉，其流動(dòng)與傳熱過程非常復(fù)雜，直接影響著燃油消耗率、排放性能、安全性能和舒適性能等重要指標(biāo)。因此，在現(xiàn)今的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，單獨(dú)考慮冷卻、潤滑及空調(diào)等單個(gè)子系統(tǒng)已不具備實(shí)際意義，必須將車內(nèi)各個(gè)熱系統(tǒng)進(jìn)行集中考慮，在一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行綜合的系統(tǒng)集成匹配與

3、優(yōu)化，才能滿足最終的整車設(shè)計(jì)要求。AMESim為工程師提供了一個(gè)先進(jìn)的多領(lǐng)域仿真平臺(tái)，可以進(jìn)行包括冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)等多個(gè)熱系統(tǒng)在內(nèi)的集成仿真分析，并提供了HEAT（Heat Exchanger Assembly Tool）庫用以解決發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)與傳熱。開發(fā)HEAT庫的目的是為專門解決諸如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等狹小空間內(nèi)的流動(dòng)與傳熱問題，并且可以輔助工程師在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段完成相應(yīng)的任務(wù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙的設(shè)計(jì)、空間布置等工作一次成功。利用HEAT庫，工程師可以研究發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)不同空間布置關(guān)系間的影響，并在整車測試循環(huán)內(nèi)精確評(píng)估各個(gè)子系統(tǒng)的熱狀態(tài)，確保車內(nèi)各系統(tǒng)均保持在正常的范

4、圍內(nèi)運(yùn)行。除AMESim提供的標(biāo)準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等系統(tǒng)建模和仿真功能外，HEAT庫提供了發(fā)動(dòng)機(jī)艙3D設(shè)計(jì)與分析能力，如圖1所示。通過HEAT庫，工程師可以對發(fā)動(dòng)機(jī)艙的三維空間進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)各個(gè)部件間的相對位置、流道結(jié)構(gòu)自動(dòng)地對其相互影響進(jìn)行計(jì)算，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流動(dòng)與傳熱的不均衡性影響。圖1 HEAT庫3D設(shè)計(jì)與分析能力散熱器、機(jī)油冷卻器及空調(diào)冷凝器等部件之間的相對位置和幾何尺寸是影響發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部流動(dòng)與傳熱的首要因素，散熱器間的重疊使冷卻風(fēng)流道產(chǎn)生了很大的不均衡性，各處的流場與溫度場均發(fā)生很大的變換。如圖2（a）所示，假設(shè)部件1為空調(diào)冷凝器，部件2為機(jī)油冷卻器，部件3為散熱器

5、。三個(gè)部件相互平行的布置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端，迎風(fēng)為X軸方向，根據(jù)三個(gè)部件的位置關(guān)系及大小，冷卻風(fēng)流道可以劃分為如圖2（b）所示的四個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)與傳熱狀態(tài)均不相同，即使在同一區(qū)域內(nèi)，受散熱器內(nèi)部流道形式的不同，其表面熱分布也非常的不均衡。HEAT庫為工程師提供了一個(gè)完備并且簡單易用的工具，充分考慮這些因素的影響，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流動(dòng)與傳熱分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變得簡單可行，最終結(jié)果能夠滿足整體設(shè)計(jì)要求。圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙位置關(guān)系在AMESim部件參數(shù)表中，可以很容易地根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙實(shí)際布置關(guān)系，設(shè)定好各個(gè)部件的空間坐標(biāo)及幾何尺寸，包括部件的空間坐標(biāo)X、Y、Z以及尺寸參數(shù)長、寬及厚度等，如圖3所示。圖3

6、 AMESim空間坐標(biāo)設(shè)定AMESim可以自動(dòng)地根據(jù)各個(gè)部件的位置關(guān)系及幾何尺寸，完成流道的網(wǎng)格劃分。如圖4所示，AMESim自動(dòng)完成了網(wǎng)格的劃分，在不同的網(wǎng)格區(qū)域考慮流動(dòng)與傳熱的不均衡性。圖4 自動(dòng)網(wǎng)格劃分除空間位置外，散熱器內(nèi)部的流動(dòng)形式也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)與傳熱的不均衡性，如散熱器內(nèi)部的流道結(jié)構(gòu)I型、U型及蛇型等流道均會(huì)對換熱結(jié)果產(chǎn)生影響，AMESim對此均給予了充分考慮。圖5所示為U型流道的計(jì)算結(jié)果，可見沿流動(dòng)方向，冷卻液的溫度逐漸降低，但散熱器表面的溫度并不均衡，入口處的溫度較高，而在同一側(cè)的出口處的溫度則較低。圖5 U型流道溫度分布在AMESim中可以很容易地對流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定，包括流道數(shù)

7、量、入口位置及每個(gè)流道的管路數(shù)量等，如圖6所示。圖6 散熱器內(nèi)部流道的設(shè)定除散熱器之間的相互流動(dòng)與傳熱不均衡外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)入口處邊界往往也存在較大的不均衡性。發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端通常設(shè)置有進(jìn)風(fēng)格柵，高速運(yùn)行的汽車前端為湍流流動(dòng)，經(jīng)過格柵的擾動(dòng)，其流動(dòng)通常更加不均衡，如圖7所示的CFD計(jì)算結(jié)果。圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)艙迎風(fēng)邊界CFD計(jì)算結(jié)果在AMESim中可以以數(shù)據(jù)表格的形式設(shè)定迎風(fēng)邊界條件，在邊界網(wǎng)格內(nèi)輸入該點(diǎn)的邊界值，網(wǎng)格與網(wǎng)格之間設(shè)定不同的數(shù)值，這樣可以真實(shí)地設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)艙流動(dòng)的邊界條件。圖8為軸對稱雙風(fēng)扇所產(chǎn)生的速度邊界場。在AMESim中一共有兩種邊界條件可供用戶設(shè)定：速度邊界和壓力邊界。速度邊界適合諸如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等結(jié)構(gòu)緊湊的布置形式，此時(shí)各處的速度場較易確定；壓力邊界適合布置距離較大的形式，如圖9所示。圖8 速度邊界模式圖9 壓力邊界模式圖10為應(yīng)用AMESim的HEAT庫進(jìn)行仿真計(jì)算后的結(jié)果，可見散熱器表面溫度分布的不均衡性，在區(qū)域4（三個(gè)散熱器重合處）溫度最高，區(qū)域2、3（兩個(gè)散熱器重合處）溫度較低，而區(qū)域1處溫度最低，即使是在區(qū)域1，由于散熱器內(nèi)流動(dòng)形式的不同，其溫度也并不完全一致。圖10 算例結(jié)果綜上所述，車用發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置十分緊密，眾多部件間流動(dòng)與傳熱相互耦合、相互